[論文レビュー] Folding is Not Required for Bilayer Insertion: Replica Exchange Simulations of an a-Helical Peptide with an Explicit Lipid Bilayer

Hugh Nymeyer, Thomas B. Woolf+1 more|ArXiv.org|Oct 29, 2004

Lipid Membrane Structure and BehaviorBiochemistry, Genetics and Molecular Biology参考文献 57被引用数 18

ひとこと要約

本研究では、明示的リン酸リピッド二重層を用いたリピカティブエクスチェンジ分子動力学シミュレーションにより、WALP-16 αヘリカルペプチドがDPPC膜に挿入する過程が、事前の折りたたみを経ずに自発的に行われることを示した。これは、表面に結合したヘリカル構造が挿入に不可欠であるという従来のモデルと矛盾する。主な発見は、ペプチドが二重層内に埋め込まれることによる大きなエントロピー増加（100 kcal/mol以上）が、1残基あたり5–10 kcal/molのエンタルピックに不利な挿入ステップを補っており、膜内ペプチド挿入経路においてエントロピーが果たす重要な役割を強調している。

ABSTRACT

We implement the replica exchange molecular dynamics algorithm to study the interactions of a model peptide (WALP-16) with an explicitly represented DPPC membrane bilayer. We observe the spontaneous, unbiased insertion of WALP-16 into the DPPC bilayer and its folding into an a-helix with a trans-bilayer orientation. We observe that the insertion of the peptide into the DPPC bilayer precedes secondary structure formation. Although the peptide has some propensity to form a partially helical structure in the interfacial region of the DPPC/water system, this state is not a productive intermediate but rather an off-pathway trap for WALP-16 insertion. Equilibrium simulations show that the observed insertion/folding pathway mirrors the potential of mean force (PMF). Calculation of the enthalpic and entropic contributions to this PMF show that the surface bound conformation of WALP-16 is significantly lower in energy than other conformations, and that the insertion of WALP-16 into the bilayer without regular secondary structure is enthalpically unfavorable by 5-10 kcal/mol/residue. The observed insertion/folding pathway disagrees with the dominant conceptual model, which is that a surface bound helix is an obligatory intermediate for the insertion of a-helical peptides into lipid bilayers. In our simulations, the observed insertion/folding pathway is favored because of a large (> 100 kcal/mol) increase in system entropy that occurs when the unstructured WALP-16 peptide enters the lipid bilayer interior. The insertion/folding pathway that is lowest in free energy depends sensitively on the near cancellation of large enthalpic and entropic terms. This suggests that intrinsic membrane peptides may have a diversity of insertion/folding behaviors depending on the exact system of peptide and lipid under consideration.

研究の動機と目的

• αヘリカルペプチドの膜二重層への挿入における熱力学的および動力学的経路を調査すること。
• 表面に結合したヘリカル中間体が膜への挿入に必須であるという一般的な仮説を検証すること。
• ペプチド挿入および折りたたみを支配するエネルギー的寄与（エンタルピックおよびエントロピック）を特定すること。
• 明示的リン酸脂質環境下で、事前の折りたたみなしに自発的かつ偏りのない挿入が起こるかどうかを評価すること。
• 理論的モデルとシミュレーションに基づく膜タンパク質挿入の観察との間の矛盾を解消すること。

提案手法

• コンformationalサンプリングを向上させるために、リピカティブエクスチェンジ分子動力学（REMD）が用いられた。
• 完全な原子的詳細で膜環境をモデル化するため、明示的DPPCリン酸脂質二重層が使用された。
• WALP-16ペプチドは、水溶液および二重層内でのシミュレーションにより、挿入および折りたたみ経路の観察が行われた。
• 挿入の自由エネルギー準位をマップするために、平均力ポテンシャル（PMF）計算が実施された。
• PMFに寄与するエンタルピックおよびエントロピック寄与を分解し、駆動力の分析が行われた。
• 中間体の同定およびそれらのエネルギー的安定性の評価を目的とした、コンformational状態の分析が実施された。

実験結果

リサーチクエスチョン

• RQ1 αヘリカルペプチドがリン酸脂質二重層に挿入する際に、界面領域に事前に形成されたヘリカル構造が必須の中間体であるか。
• RQ2 自由エネルギー挿入に寄与するエンタルピーとエントロピーの相対的寄与は何か。
• RQ3 観察された挿入／折りたたみ経路は、平均力ポテンシャル（PMF）プロファイルと整合しているか。
• RQ4 表面に結合した部分的ヘリカル状態は、生産的な中間体か、それともパス外のトラップか。
• RQ5 大きなエンタルピックおよびエントロピック項のバランスが、熱力学的に好ましい挿入経路にどのように影響するか。

主な発見

• WALP-16ペプチドは、事前の折りたたみを経ずにDPPC二重層に自発的に挿入し、二次的構造形成よりも先に挿入が進行する。
• 表面に結合した部分的ヘリカル状態は生産的な中間体ではなく、挿入経路よりも高い自由エネルギーを持つパス外のトラップである。
• 規則的な二次的構造を形成しないまま二重層への挿入は、1残基あたり5–10 kcal/molのエンタルピックに不利である。
• ペプチドが二重層内部に移動することで生じる大きなエントロピー増加（100 kcal/mol以上）が、挿入プロセスを駆動する。
• 最小自由エネルギー経路は、大きなエンタルピックおよびエントロピック項のほぼ相殺によって生じており、システム固有の要因に非常に敏感であることを示している。
• 観察された挿入／折りたたみ経路は、表面に結合したヘリックスが挿入に不可欠であるという支配的かつ概念的なモデルと矛盾している。